JP6898646B2 - Electrochemical reactor, fuel gas production system and fuel gas production method - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学反応器、燃料ガスの製造システム及び燃料ガスの製造方法に関する。 The present invention relates to an electrochemical reactor, a fuel gas production system, and a fuel gas production method.
日本国内では、1年間に約150億Nm3の水素が石油関連及びアンモニア製造関連等の工業用途に利用されている。近年の水素エネルギーの利用拡大に応じて、水素市場のさらなる拡大が予想される。 In Japan, the hydrogen of about 15 billion Nm 3 per year have been used in industrial applications of petroleum-related and ammonia manufacturing-related or the like. The hydrogen market is expected to expand further in response to the recent expansion of the use of hydrogen energy.
現在使用される水素の90%は、化石燃料のナフサを水蒸気改質して製造されている。ナフサの原料である原油の供給力は相対的に低下しつつある。さらに、大気中の二酸化炭素の削減が世界的動向となっている。 90% of the hydrogen currently used is produced by steam reforming fossil fuel naphtha. The supply capacity of crude oil, which is the raw material for naphtha, is declining relatively. In addition, the reduction of carbon dioxide in the atmosphere has become a global trend.
低炭素社会をめざして、食物残渣、焼酎残滓、家畜排泄物及び下水汚泥等からメタン菌によるメタン発酵で発生するバイオガスの利用が注目されている。バイオガスは主にメタン60%及び二酸化炭素40%からなる混合ガスである。バイオガスの燃焼で生成する熱エネルギー及びバイオガスの改質で得られる水素ガスの利用は、原油等の化石燃料の消費量を抑制し、温室効果ガスである二酸化炭素の排出量を抑制する。 Aiming for a low-carbon society, attention is being paid to the use of biogas generated by methane fermentation by methane bacteria from food residues, shochu residue, livestock excrement, sewage sludge, and the like. Biogas is a mixed gas mainly composed of 60% methane and 40% carbon dioxide. The use of thermal energy generated by combustion of biogas and hydrogen gas obtained by reforming biogas suppresses the consumption of fossil fuels such as crude oil and suppresses the emission of carbon dioxide, which is a greenhouse gas.
メタン(CH4)及び二酸化炭素(CO2)を反応させることで生成する水素(H2)及び一酸化炭素(CO)は種々の燃料として利用できる。電極での酸化還元反応を利用して、CH4及びCO2を含むガスからH2ガス及びCOガスを含む燃料ガスを合成する方法として、ニッケル(Ni)等の金属触媒を用いたCH4のドライリフォーミングがある。ドライリフォーミングは(1)式で表される。
CH4+CO2→2H2+2CO (1)
Hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) produced by reacting methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2) can be used as various fuels. Using the redox reaction at the electrode, a gas containing CH 4 and CO 2 as a method for synthesizing a fuel gas containing H 2 gas and CO gas, nickel (Ni) or the like metal catalyst CH 4 using the There is dry reforming. Dry reforming is represented by equation (1).
CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO (1)
例えば、Ni触媒を用いたドライリフォーミングでは、600℃未満では(2)式に示すように、COからCO2及び炭素(C)が生成する不均化反応が起こる。
2CO→CO2+C (2)
For example, in dry reforming using a Ni catalyst, a disproportionation reaction in which CO 2 and carbon (C) are produced from CO occurs at a temperature lower than 600 ° C. as shown in equation (2).
2CO → CO 2 + C (2)
一方、高温下では、(3)式に示すように、CH4の熱分解が進行し、析出する炭素がNi触媒を覆う。このため、触媒能が時間の経過とともに低下する。また、析出した炭素によるガス閉塞が起こることがある。
CH4→2H2+C (3)
On the other hand, under high temperature, as shown in Eq. (3), the thermal decomposition of CH 4 proceeds, and the precipitated carbon covers the Ni catalyst. Therefore, the catalytic ability decreases with the passage of time. In addition, gas clogging may occur due to the precipitated carbon.
CH 4 → 2H 2 + C (3)
このように、バイオガスのドライリフォーミングでは、CO不均化反応及びCH4熱分解による炭素の析出が電気化学反応器の耐久性に大きな影響を及ぼす。 Thus, in the dry reforming of biogas, CO disproportionation and CH 4 carbon deposition by pyrolysis is a large influence on the durability of the electrochemical reactor.
特許文献1には、カソード及びアノードにルテニウム(Ru)−ガドリニウム(Gd)固溶セリア(GDC)複合体を用いた電気化学反応器で、CH4及びCO2を含むガスをドライリフォーミングし、H2を合成する技術が提案されている。特許文献1によれば、当該電気化学反応器は、炭素の析出を抑制しつつ、400〜800℃で模擬バイオガスのドライリフォーミングを促進した。
In Patent Document 1, a gas containing CH 4 and CO 2 is dry-formed with an electrochemical reactor using a ruthenium (Ru) -gadolinium (Gd) solid-dissolved ceria (GDC) complex for the cathode and anode. techniques for synthesizing and H 2 have been proposed. According to
また、非特許文献1には、Ni−GDC複合体を用いたカソード、Ru−GDC複合体を用いたアノードを備える電気化学反応器が開示されている。この電気化学反応器にバイオガスとCO2との混合ガスを供給したとき、出口ガス割合が80%を超えるH2−CO混合燃料が24時間にわたり連続して生成した。
Further,
特許文献1に開示された電気化学反応器においては、高温(700〜800℃)では、出口ガス流量が増加し、十分なH2生成速度が得られたが、600℃では出口ガス流量が比較的少なく、H2生成速度が低下した。また、非特許文献1に開示された電気化学反応器では、H2−CO混合燃料が高効率で得られるものの、特に600〜700℃でカソードに析出した炭素が観察された。
In the electrochemical reactor disclosed in
このため、炭素の析出をさらに抑えつつ、高効率でH2−CO混合燃料が得られるように電気化学反応器のさらなる改良が求められている。また、特許文献1及び非特許文献1に開示された電気化学反応器はいずれもRuを用いている。地球に存在するRuの量は、Ni等よりはるかに少ないため、RuはNi等よりも高価である。このため、電気化学反応器の製造及び維持のためのコスト面でも改善の余地がある。
Therefore, while further suppressing the carbon deposition, further improvement of the electrochemical reactor so that H 2 -CO mixed fuel is obtained with a high efficiency is demanded. Further, Ru is used in both the electrochemical reactors disclosed in
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、炭素の析出を抑えつつ、高効率で燃料ガスが得られる電気化学反応器、燃料ガスの製造システム及び燃料ガスの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an electrochemical reactor that can obtain fuel gas with high efficiency while suppressing carbon precipitation, a fuel gas production system, and a fuel gas production method. With the goal.
本発明の第1の観点に係る電気化学反応器は、
ニッケル、ルテニウム及びコバルトからなる群から選択される第1の金属を含有するカソードと、
ルテニウム又はコバルトである第2の金属を含有するアノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に介在し、酸化物イオンを透過させる金属酸化物を含有する多孔質の電解質膜と、
を備え、
前記カソードに向けて、酸素を含む酸化剤ガス及びバイオガスが供給される。
The electrochemical reactor according to the first aspect of the present invention is
A cathode containing a first metal selected from the group consisting of nickel, ruthenium and cobalt,
An anode containing a second metal, ruthenium or cobalt,
A porous electrolyte membrane that is interposed between the cathode and the anode and contains a metal oxide that allows oxide ions to permeate.
With
Oxidizing agent gas and biogas containing oxygen are supplied toward the cathode.
この場合、前記第1の金属は、
ニッケルであって、
前記第2の金属は、
コバルトである、
こととしてもよい。
In this case, the first metal is
Nickel
The second metal is
Cobalt,
It may be that.
また、前記酸化剤ガスは、
空気であって、
前記バイオガスに含まれるメタンのモル数と、前記バイオガス及び前記空気それぞれに含まれる酸素のモル数及び二酸化炭素のモル数の合計との比が、
1:0.9〜1.1である、
こととしてもよい。
In addition, the oxidant gas is
It ’s air,
The ratio of the number of moles of methane contained in the biogas to the total number of moles of oxygen and carbon dioxide contained in the biogas and the air, respectively, is
1: 0.9 to 1.1,
It may be that.
本発明の第2の観点に係る燃料ガスの製造システムは、
上記本発明の第1の観点に係る電気化学反応器と、
前記カソードに向けて、前記酸化剤ガス及び前記バイオガスを供給する供給部と、
を備える。
The fuel gas production system according to the second aspect of the present invention is
The electrochemical reactor according to the first aspect of the present invention and
A supply unit that supplies the oxidant gas and the biogas toward the cathode, and
To be equipped.
この場合、上記本発明の第2の観点に係る燃料ガスの製造システムは、
前記カソードと前記アノードとの間にパルス電圧を印加する印加部をさらに備える、
こととしてもよい。
In this case, the fuel gas production system according to the second aspect of the present invention is
An application unit for applying a pulse voltage between the cathode and the anode is further provided.
It may be that.
また、上記本発明の第2の観点に係る燃料ガスの製造システムは、
前記酸化剤ガス及び前記バイオガスを保持する保持部をさらに備え、
前記供給部は、
前記保持部に保持された前記酸化剤ガス及び前記バイオガスを前記カソードに向けて供給する、
こととしてもよい。
Further, the fuel gas production system according to the second aspect of the present invention is described.
Further provided with a holding portion for holding the oxidant gas and the biogas,
The supply unit
The oxidizing agent gas and the biogas held in the holding portion are supplied toward the cathode.
It may be that.
本発明の第3の観点に係る燃料ガスの製造方法は、
ニッケル、ルテニウム及びコバルトからなる群から選択される第1の金属を含有するカソードと、ルテニウム又はコバルトである第2の金属を含有するアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に介在し、酸化物イオンを透過させる金属酸化物を含有する多孔質の電解質膜と、を備える電気化学反応器を用いた燃料ガスの製造方法であって、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する印加ステップと、
前記カソードに向けて、酸素を含む酸化剤ガス及びバイオガスを供給する供給ステップと、
を含む。
The method for producing a fuel gas according to the third aspect of the present invention is as follows.
An intervening cathode containing a first metal selected from the group consisting of nickel, ruthenium and cobalt, an anode containing a second metal such as ruthenium or cobalt, and oxidation between the cathode and the anode. A method for producing a fuel gas using an electrochemical reactor including a porous electrolyte membrane containing a metal oxide that allows material ions to permeate.
An application step of applying a voltage between the cathode and the anode,
A supply step of supplying oxygen-containing oxidant gas and biogas toward the cathode, and
including.
本発明によれば、炭素の析出を抑えつつ、高効率で燃料ガスが得られる。 According to the present invention, fuel gas can be obtained with high efficiency while suppressing carbon precipitation.
本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は下記の実施の形態によって限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.
(実施の形態1)
まず、実施の形態1について説明する。本実施の形態に係る電気化学反応器100は、供給されたバイオガスをドライリフォーミング(以下では「改質」ともいう)して燃料ガスとしてのH2−CO混合燃料を製造するのに好適である。図1に示すように、電気化学反応器100は、電解質膜1と、カソード2と、アノード3と、を備える。
(Embodiment 1)
First, the first embodiment will be described.
電解質膜1は多孔質である。電解質膜1は、酸化物イオンを透過させる金属酸化物を含有する。電解質膜1はカソード2とアノード3との間に介在する。より具体的には、電解質膜1はカソード2とアノード3との間に挟み込まれて保持されている。金属酸化物としては、例えば、Ce−希土類元素(イッテルビウム、イットリウム、ガドリニウム、サマリウム、ネオジム、ランタン等)系酸化物、ジルコニウム−イットリウム系酸化物、及びランタン−ガリウム系酸化物が挙げられる。例えば、電解質膜1は、GDCで形成される。当該GDCは、Ce0.9Gd0.1O1.95又はCe0.8Gd0.2O1.9である。
The
カソード2は、Ni、Ru及びCoからなる群から選択される金属(第1の金属)を含有する。好ましくは、カソード2は、当該金属と酸化物イオン導電体の多孔質の電解質との混合物である。当該電解質は、例えば、GDCである。
The
アノード3は、Ru又はCoである金属(第2の金属)を含有する。カソード2と同じく、アノード3も、好ましくは当該金属と酸化物イオン導電体の多孔質の電解質との混合物である。好適には、カソード2が含有する金属はNiであって、アノード3が含有する金属はCoである。
The
好ましくは、電気化学反応器100は、図1に示すように円柱状に形成される。処理されるバイオガスの体積等にもよるが、電気化学反応器100を円柱の高さ方向に垂直に切断した断面の円の直径は、例えば5mm〜15mm、8mm〜12mm、好ましくは10mmである。当該円の直径が10mmの場合、カソード2及びアノード3の軸方向の厚みは、2〜10mm、好ましくは3〜6mmであって、電解質膜1の軸方向の厚みは、10〜200μm、好ましくは50〜100μmである。
Preferably, the
次に、電気化学反応器100を製造する方法について説明する。以下では、GDCを用いて、電解質膜1、カソード2及びアノード3を製造する場合について説明する。GDC粉体は、例えばシュウ酸塩共沈法で製造できる。GDC粉体をシュウ酸塩共沈法で製造する場合、まず、Ce(NO3)3水溶液及びGd(NO3)3水溶液を、Ce及びGdのモル比を9〜3:1として混合する。次いで、この混合液をシュウ酸水溶液に加え、共沈させる。得られたシュウ酸塩を500〜800℃、好ましくは600℃で、空気中で仮焼することでGDC粉体が得られる。次に、GDC粉体をさらに粉化することで微細なGDC粉体が得られる。
Next, a method for manufacturing the
GDC粉体で電解質膜1を形成するには、GDC粉体を、例えばイソプロパノール及びトルエンの混合有機溶媒中に分散させる。続いて、ポリビニルブチラール等の結合剤、及びポリエチレングリコール等の可塑剤を、得られた懸濁液に添加する。結合剤及び可塑剤の量は、適宜調整される。結合剤の量は、GDC粉体の質量に対して2〜8%、4〜6%、好ましくは5%である。可塑剤の量は、GDC粉体の質量に対して5〜15%、8〜12%、好ましくは9%である。そして、懸濁液をドクターブレード装置等で電解質に製膜すればよい。
To form the
次に、カソード2及びアノード3、すなわち電極の製造方法について説明する。まず、上記のいずれかの金属を含む水溶液とGDC粉体とを混合する。その後、凍結乾燥し、得られた粉体を600〜800℃で1時間程度、仮焼することで金属酸化物とGDCとの混合粉体(金属酸化物−GDC)を得る。金属酸化物−GDCを水素還元して、金属−GDC混合粉体へ変える。なお、凍結乾燥の前に、適宜、pHを調整してもよい。電極の当該製造方法において、金属とGDCとは、体積比で4:6〜1:9、好ましくは3:7〜2:8となるように混合される。
Next, a method for manufacturing the
より具体的には、CoとGDCとの混合物(Co−GDC)で電極を製造する場合、体積比がCo:GDC=3:7となるようにCo(NO3)2水溶液とGDC粉体とを混合する。その後凍結乾燥し、600℃で1時間、空気中で仮焼してCo3O4−GDC混合粉体を得る。 More specifically, when the electrode is manufactured from a mixture of Co and GDC (Co-GDC), two aqueous Co (NO 3 ) solutions and GDC powder are used so that the volume ratio is Co: GDC = 3: 7. To mix. Then, it is freeze-dried and calcined in air at 600 ° C. for 1 hour to obtain a Co 3 O 4- GDC mixed powder.
NiとGDCとの混合物(Ni−GDC)で電極を製造する場合、体積比がNi:GDC=3:7となるようにNi(NO3)2水溶液とGDC粉体とを混合する。その後凍結乾燥し、800℃で1時間、空気中で仮焼してNiO−GDC混合粉体を得る。 When the electrode is manufactured from a mixture of Ni and GDC (Ni-GDC), the Ni (NO 3 ) 2 aqueous solution and the GDC powder are mixed so that the volume ratio is Ni: GDC = 3: 7. Then, it is freeze-dried and calcined in air at 800 ° C. for 1 hour to obtain a NiO-GDC mixed powder.
RuとGDCとの混合物(Ru−GDC)で電極を製造する場合、体積比がRu:GDC=3:7となるようにRuCl3水溶液とGDC粉体とを混合する。アンモニア水でpH10に調整し、24時間撹拌した後、凍結乾燥する。得られた粉体を800℃、1時間、空気中で仮焼してRuO2−GDC混合粉体を得る。
When the electrode is manufactured from a mixture of Ru and GDC (Ru-GDC), the RuCl 3 aqueous solution and the GDC powder are mixed so that the volume ratio is Ru: GDC = 3: 7. The pH is adjusted to 10 with aqueous ammonia, the mixture is stirred for 24 hours, and then freeze-dried. The obtained
図1に示すように、電解質膜1がカソード2とアノード3との間に挟まれるように、カソード2に用いる金属酸化物−GDCと、電解質膜1と、アノード3に用いる金属酸化物−GDCと、を錠剤成形器中で積層し、50〜100MPa、60〜90MPa、好ましくは80MPaで一軸加圧する。続いて、積層体を150〜300MPa、180〜220MPa、好ましくは200MPaで等方加圧した後、共焼結を1200℃で2時間、空気中で行う。
As shown in FIG. 1, the metal oxide-GDC used for the
好ましくは、共焼結したカソード2及びアノード3の相対密度は、70〜90%、75〜85%又は80〜85%である。カソード2及びアノード3の開気孔率は、12〜22%、14〜20%又は15〜19%である。また、カソード2及びアノード3の閉気孔率は、0〜3%又は0〜2%である。
Preferably, the relative densities of the
さらに、H2雰囲気下、800℃で12〜24時間程度の還元処理を行うことにより、カソード2及びアノード3に含まれる金属を還元する。この還元処理によって、例えば、カソード2及びアノード3に含まれるNiO、Co3O4及びRuO2は、それぞれNi、Co及びRuに還元される。
Furthermore, H 2 atmosphere, by performing the reduction treatment at about 12 to 24 hours at 800 ° C., to reduce the metal contained in the
続いて、電気化学反応器100の動作について説明する。電気化学反応器100は、例えばアルミナ等で形成された管4に挿入されて、その温度が500〜1000℃、好ましくは600〜900℃に維持されて使用される。電気化学反応器100においては、カソード2に向けて、O2を含む酸化剤ガス及びバイオガスが供給される。
Subsequently, the operation of the
酸化剤ガスは、O2ガス、好ましくは空気である。酸化剤ガス及びバイオガスは、カソード2に同時に供給されるのであれば、個別にカソード2に供給されてもよい。好適には、酸化剤ガスとバイオガスとを混合した原料ガスがカソード2に供給される。
The oxidant gas is O 2 gas, preferably air. The oxidant gas and the biogas may be individually supplied to the
電気化学反応器100では、カソード2とアノード3との間に1〜5V程度の電圧が印加部5によって印加される。ここで、上記原料ガスがカソード2に供給されると、カソード2において、(4)式に示す還元反応が生じる。すなわち、カソード2は、CO2からCO及び酸化物イオン(O2−)を生成する。
CO2+2e−→CO+O2− (4)
In the
CO 2 + 2e - → CO + O 2- (4)
電解質膜1は、カソード2に供給されたCH4及びカソード2で生成されたO2−を透過させる。電解質膜1を透過したCH4及びO2−は、アノード3まで到達する。そして、CH4及びO2−がアノード3に到達すると、アノード3において、(5)式に示す酸化反応が生じる。すなわち、CH4及びO2−からCO及びH2を生成する。
CH4+O2−→CO+2H2+2e− (5)
The
CH 4 + O 2- → CO + 2H 2 + 2e − (5)
したがって、電気化学反応器100における全反応の反応式は、(6)式で表わされる。
CH4+CO2→2H2+2CO (6)
Therefore, the reaction formula of all the reactions in the
CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO (6)
電気化学反応器100は、印可電圧下での温度を制御することで、ドライリフォーミングにより効率よく燃料ガスを製造できる。一方で、下記実施例2、4に示すように、印可電圧下での温度上昇は、ドライリフォーミングのみならずCH4熱分解(上記(2)式)及び一酸化炭素不均化反応(上記(3)式)による炭素の析出も促進する(競争並列反応)。
The
これに対し、電気化学反応器100では、上述のように、カソード2にバイオガスとともにO2を含む酸化剤ガスが供給される。供給されたO2は、酸化剤として機能し、(7)式に示すように析出した炭素を酸化する。これにより、炭素の析出が抑制される。
2C+O2→2CO (7)
On the other hand, in the
2C + O 2 → 2CO (7)
バイオガスにおける各成分の濃度(vol%)は、通常は、CH4が約60%で、CO2が約40%であるが、0.1〜0.7%又は1%未満のO2を含むことがある。カソード2へは、バイオガス自体に含まれるO2以外のO2がバイオガスとともに供給されればよい。酸化剤ガス及びバイオガスの供給量の比は、好適には化学量論比に基づいて設定される。酸化剤ガスとして空気を用いる場合、バイオガスに含まれるCH4のモル数と、バイオガス及び空気それぞれに含まれるO2のモル数及びCO2のモル数の合計との比が、1:0.8〜1.4、1:0.9〜1.2好ましくは1:0.9〜1.1である。また、例えば、上記の原料ガスにおけるCH4、CO2及びO2のモル比は、3:1.5〜2.4:0.5〜1.6、3:1.6〜2.2:0.8〜1.5又は3:1.8〜2.0:1.0〜1.4、好ましくは3:1.9:1.3に調整されてもよい。
The concentration (vol%) of each component in biogas is usually about 60% for CH 4 and about 40% for CO 2, but 0.1 to 0.7% or less than 1% O 2 . May include. To the
以上詳細に説明したように、電気化学反応器100では、カソード2にバイオガスとともにO2を含む酸化剤ガスが供給される。こうすることで、炭素が酸化されるため、実施例3、4に示されたように、炭素の析出を抑制することができる。析出する炭素の除去によって金属触媒の高い活性を維持することができるため、電気化学反応器100は、長期運転のための高い耐久性を備える。また、供給されたO2は、バイオガスの改質にも利用されると考えられる。このため、電気化学反応器100は、下記実施例3、4に示すように、高効率で燃料ガスを得ることができる。
As described in detail above, in the
また、本実施の形態では、カソード2が含有する金属がNiであって、アノード3が含有する金属がCoであってもよいこととした。こうすることで、電気化学反応器100は、下記実施例5に示すように、優れた改質効率を示す。さらに、Coは、Ruより安価であって、しかも下記実施例5に示すように、Ruと同等以上の触媒活性を示した。よって、Coを用いることで電気化学反応器100の製造及び維持においてコスト面で有利である。
Further, in the present embodiment, the metal contained in the
なお、カソード2とアノード3に含有される金属量は、均一でなく、傾斜をつけてもよい。例えば、積層体におけるカソード2の金属含量は、アノード3から遠ざかるにしたがって、徐々に増えるようにしてもよい。同様に、積層体におけるアノード3の金属含量は、カソード2から遠ざかるにしたがって、徐々に増えるようにしてもよい。より具体的には、アノード3は、Co:GDC=3:7のCo3O4−GDC混合粉体から製造した第1の層とCo:GDC=2:8のCo3O4−GDC混合粉体から製造した第2の層とを備えてもよい。この場合、積層体において、電解質膜1と第1の層の間に第2の層が配置される。カソード2も同様である。こうすることで、焼結時のカソード2又はアノード3と電解質膜1との剥離を防ぐことができる。
The amount of metal contained in the
(実施の形態2)
次に、図2を参照しながら、実施の形態2について説明する。実施の形態2に係る燃料ガスの製造システム200は、上記実施の形態1に係る電気化学反応器100と、印加部5と、保持部6と、供給部7と、温度制御部8と、を備える。
(Embodiment 2)
Next, the second embodiment will be described with reference to FIG. The fuel
電気化学反応器100の構成は、上記実施の形態1で説明した構成である。印加部5は、カソード2とアノード3との間に1〜5V程度の電圧を印加する。印加部5は、例えばポテンショスタット等で構成され、白金リード線を溶接した白金メッシュ集電体をカソード2及びアノード3それぞれの表面に接着されることで電気化学反応器100と接続される。印加部5によって印加される電圧は、直流電圧でも、パルス電圧でもよい。好適には、印加部5は、カソード2とアノード3との間にパルス電圧を印加する。
The configuration of the
保持部6は、上記の酸化剤ガス及びバイオガスを保持する。保持部6は、上記の酸化剤ガスとバイオガスとを混合した原料ガスを保持してもよいし、酸化剤ガス及びバイオガスを個別に保持してもよい。保持部6は、容器、例えばボンベ及びタンク等で酸化剤ガス及びバイオガスを保持する。
The holding
供給部7は、カソード2に向けて、上記の酸化剤ガス及びバイオガスを供給する。より詳細には、供給部7は、保持部6に保持された酸化剤ガス及びバイオガスをカソード2に向けて供給する。例えば、保持部6は電気化学反応器100にガスを供給可能に接続されており、保持部6に保持された酸化剤ガス及びバイオガスが供給部7を介してカソード2に供給される。
The
供給部7は酸化剤ガス及びバイオガスの供給量を制御する。例えば、保持部6が酸化剤ガスとしての空気及びバイオガスを個別に保持している場合、供給部7は空気を40〜60ml/分で供給するのに対してバイオガスを30〜50ml/分で供給する。保持部6が原料ガスを保持している場合、供給部7は空気を50〜150ml/分で供給する。供給部7は、空気及びバイオガスを、バイオガスに含まれるCH4のモル数と、バイオガス及び空気それぞれに含まれるO2のモル数及びCO2のモル数の合計との比が上記の比になるように供給してもよいし、上記の原料ガスを供給してもよい。
The
温度制御部8は、電気化学反応器100の温度を500〜1000℃、好ましくは600〜900℃に制御する。温度制御部8は、限定されない加熱装置を備え、加熱装置を介して電気化学反応器100の温度を制御する。温度制御部8は、例えば加熱装置として電気炉を備え、電気炉内に設置された電気化学反応器100の温度を制御する。温度制御部8は、熱電対等で電気化学反応器100の温度を監視することで、電気化学反応器100の温度を柔軟に制御してもよい。
The
以上詳細に説明したように、燃料ガスの製造システム200は、供給部7を備えるため、バイオガスとともに、O2を含む酸化剤ガスを確実にカソード2に供給することができる。また、燃料ガスの製造システム200は、印加部5を備えるため、カソード2における還元反応を促進し、CO2を効率よく分解できる。
As described in detail above, since the fuel
また、燃料ガスの製造システム200は、保持部6を備えることで、電気化学反応器100に最適化した混合比でO2を含む酸化剤ガスを供給できる。こうすることで、炭素の析出を極力抑えつつ、効率よく燃料ガスを製造でき、長期耐久性をもたらすことができる。
Further, the fuel
また、燃料ガスの製造システム200では、印加部5がカソード2とアノード3との間にパルス電圧を印加してもよいこととした。パルス電圧を用いることで、直流電圧を用いるよりも消費電力を抑制することができる。
Further, in the fuel
以下の実施例により、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the examples.
(実施例1:セル1及びセル2の作製)
以下のようにして、二種類の電気化学反応器としてセル1及びセル2を作製した。セル1は、GDC多孔質電解質膜、カソード及びアノードを備える。GDCは、Ce0.9Gd0.1O1.95である。セル1のカソードはCo(30vol%)−GDC(70vol%)で、セル1のアノードはCo(30vol%)−GDC(70vol%)である。
(Example 1: Preparation of
セル2は、セル1と同様のGDC多孔質電解質膜、カソード及びアノードを備える。セル2のカソードはNi(30vol%)−GDC(70vol%)で、セル2のアノードはCo(30vol%)−GDC(70vol%)である。
上記のGDCは、次のようにシュウ酸塩共沈法で作製した。0.2M Ce(NO3)3水溶液と0.2M Gd(NO3)3水溶液を、モル比がCe:Gd=9:1となるように混合した。混合溶液を0.4Mのシュウ酸水溶液中に滴下し、シュウ酸塩固溶体(Ce0.9Gd0.1)2(C2O4)3として共沈させた。得られたシュウ酸塩を600℃で1時間、空気中で仮焼し、GDC粉体を得た。GDC粉体を直径3mmのアルミナボールを用いて粉砕し、微細なGDC粒子を得た。GDC粒子をイソプロパノール67vol%とトルエン33vol%の有機溶媒中に固体量25vol%で分散させた。結合剤としてポリビニルブチラール、可塑剤としてポリエチレングリコールをGDC粉体の質量に対してそれぞれ5%と9%を懸濁液に添加した。懸濁液を前ブレードの開口部が170μmのドクターブレード装置で厚さ100μmの電解質膜とした。 The above GDC was prepared by the oxalate coprecipitation method as follows. A 0.2 M Ce (NO 3 ) 3 aqueous solution and a 0.2 M Gd (NO 3 ) 3 aqueous solution were mixed so that the molar ratio was Ce: Gd = 9: 1. The mixed solution was added dropwise to a 0.4 M aqueous oxalic acid solution and coprecipitated as a solid oxalate solution (Ce 0.9 Gd 0.1 ) 2 (C 2 O 4 ) 3. The obtained oxalate was calcined in air at 600 ° C. for 1 hour to obtain a GDC powder. The GDC powder was pulverized with an alumina ball having a diameter of 3 mm to obtain fine GDC particles. GDC particles were dispersed in an organic solvent containing 67 vol% isopropanol and 33 vol% toluene in a solid amount of 25 vol%. Polyvinyl butyral as a binder and polyethylene glycol as a plasticizer were added to the suspension in an amount of 5% and 9%, respectively, based on the mass of the GDC powder. The suspension was prepared as an electrolyte membrane having a thickness of 100 μm by a doctor blade device having an opening of 170 μm in the front blade.
電極の作製では、Co−GDCの場合、体積比がCo:GDC=3:7となるように1.0M Co(NO3)2水溶液をGDC粉体と混合した。その後凍結乾燥し、600℃で1時間、空気中で仮焼してCo3O4−GDC混合粉体を得た。一方、Ni−GDCの場合、体積比がNi:GDC=3:7となるように1.4M Ni(NO3)2水溶液をGDC粉体と混合した。その後凍結乾燥し、800℃で1時間、空気中で仮焼してNiO−GDC混合粉体を得た。 In the preparation of the electrodes, in the case of Co-GDC, a 1.0 M Co (NO 3 ) 2 aqueous solution was mixed with the GDC powder so that the volume ratio was Co: GDC = 3: 7. Then, it was freeze-dried and calcined in air at 600 ° C. for 1 hour to obtain a Co 3 O 4- GDC mixed powder. On the other hand, in the case of Ni-GDC, a 1.4M Ni (NO 3 ) 2 aqueous solution was mixed with the GDC powder so that the volume ratio was Ni: GDC = 3: 7. Then, it was freeze-dried and calcined in air at 800 ° C. for 1 hour to obtain a NiO-GDC mixed powder.
電解質膜、カソード粉体(Co3O4−GDC混合粉体又はNiO−GDC混合粉体)、アノード粉体(Co3O4−GDC混合粉体)を直径10mmの錠剤成形器中で積層し、80MPaで一軸加圧した。その後、積層体を200MPaで等方加圧した後、共焼結を1200℃で2時間、空気中で行った。共焼結した電極のかさ密度と見かけ密度とを再蒸留水を用いたアルキメデス法で測定した。Co3O4−GDCカソードの相対密度、開気孔率及び閉気孔率はそれぞれ81.7%、18.3%、及び0%であった。NiO−GDCアノードの相対密度、開気孔率及び閉気孔率はそれぞれ83.2%、15.3%及び1.6%であった。 The electrolyte membrane, cathode powder (Co 3 O 4 -GDC mixed powder or NiO-GDC mixed powder), and anode powder (Co 3 O 4 -GDC mixed powder) are laminated in a tablet molder having a diameter of 10 mm. , 80 MPa was uniaxially pressurized. Then, the laminate was isotropically pressurized at 200 MPa, and then co-sintered at 1200 ° C. for 2 hours in air. The bulk density and apparent density of the co-sintered electrodes were measured by the Archimedes method using redistilled water. The relative density, open porosity and closed porosity of the Co 3 O 4- GDC cathode were 81.7%, 18.3% and 0%, respectively. The relative density, open porosity and closed porosity of the NiO-GDC anode were 83.2%, 15.3% and 1.6%, respectively.
図3に示すように、白金リード線を溶接した白金メッシュ集電体をカソードとアノードの各表面に白金ペーストを用いて接着し、870℃で焼き付けた。セル1を磁製管内に設置した。セル1と磁製管との隙間を、ガラスリングを870℃、空気中で加熱することにより封着した。そして、磁製管とシリカ−アルミナ管とをガラスリングで封着することで実験用の反応器を作製した。セル2についても同様に実験用の反応器を作製した。
As shown in FIG. 3, a platinum mesh current collector to which a platinum lead wire was welded was adhered to each surface of a cathode and an anode using a platinum paste, and baked at 870 °
電極内のNiOとCo3O4は3vol%の水蒸気を添加したH2雰囲気中、800℃で8時間還元され、金属Niと金属Coを生成した。H2ガスをアルゴンガスで追い出した後、得られたセル1及びセル2を用いてバイオガスのドライリフォーミングを行った。セル1及びセル2の温度は、電気炉で制御した。
Ni O and Co 3 O 4 in the electrode were reduced at 800 ° C. for 8 hours in an H 2 atmosphere to which 3 vol% of water vapor was added to produce metallic Ni and metallic Co. After purging with H 2 gas with argon gas, it was dry reforming of biogas using the
(実施例2:セル1及びセル2を用いたCO2によるバイオガスのドライリフォーミング)
(Example 2: Dry reformation of biogas by CO 2 using
バイオガスとして焼酎粕バイオガス(西薩クリーンサンセット事業協同組合製)を使用した。当該バイオガスの化学組成は60.0vol% CH4、37.5vol% CO2、2.5vol% N2、0.1vol% O2、2.1ppm 硫化水素(H2S)であった。高純度CO2(純度>99.99%)をバイオガスと混合し、ドライリフォーミングの化学量論比CH4/CO2=1/1に調整した。40ml/分のバイオガスと10ml/分のCO2を混合し、セル1及びセル2それぞれに供給した。
Shochu lees biogas (manufactured by Seisatsu Clean Sunset Business Cooperative) was used as the biogas. The chemical composition of the biogas was 60.0 vol% CH 4 , 37.5 vol% CO 2 , 2.5 vol% N 2 , 0.1 vol% O 2 , 2.1 ppm hydrogen sulfide (H 2 S). High-purity CO 2 (purity> 99.99%) was mixed with biogas to adjust the dry reforming stoichiometric ratio to CH 4 /
ポテンショスタット/ガルバノスタット(HAL−3001、北斗電工社製)を用いて、0〜2Vの電圧をセル1及びセル2それぞれに印加し、セル1及びセル2の電流密度を測定した。出口ガス組成は活性炭カラムと熱伝導度検出器を有するガスクロマトグラフ(GC7100T、ジェイサイエンスラボ社製)でキャリアガスにアルゴンを用いて測定した。活性炭カラムと熱伝導度検出器の温度はそれぞれ70℃と100℃であった。熱伝導度検出器に供給した電流は60mAであった。出口ガスの流量は石けん膜流量計(3001−11002、ジーエルサイエンス社製)で測定した。ドライリフォーミング実験の後にセル1及びセル2の構成相を、X線回折装置(RINT2200 PCH/KG、リガク社製)を用いて同定した。反応器内の炭素の析出を電子線マイクロアナライザー(JXA−8230、日本電子社製)で分析した。
Using a potentiostat / galvanostat (HAL-3001, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), a voltage of 0 to 2 V was applied to each of
(結果)
図4はセル1を用いたCO2によるバイオガスのドライリフォーミングにおける出口ガスの割合(a)及び出口ガスの流量(b)を示す。反応器の温度は200〜800℃であり、印可電圧は0V又は1Vとした。H2ガスとCOガスの生成が600℃以上で測定された。H2ガスとCOガスの出口ガス割合は600℃でそれぞれ2.8〜5.2%と6.2〜9.0%であり、800℃でそれぞれ20.1〜27.3%と27.4〜30.6%に増加した。各ガスの流量は各温度でほぼ一定であった。1Vの電圧印可で0.197A/cm2の電流が流れた。しかしながら、印可電圧はH2ガスとCOガスの割合と流量に影響を及ぼさなかった。なお、使用したガスクロマトグラフ装置では、O2とN2の分離は困難であった。
(result)
FIG. 4 shows the ratio (a) of the outlet gas and the flow rate (b) of the outlet gas in the dry reforming of the biogas by CO 2 using the cell 1. The temperature of the reactor was 200 to 800 ° C., and the applied voltage was 0 V or 1 V. Generation of H 2 gas and CO gas were measured at 600 ° C. or higher. H 2 exit gas rate of gas and CO gas are from 2.8 to 5.2% and from 6.2 to 9.0%, respectively at 600 ° C., respectively 800 ° C. 20.1-27.3 percent and 27. It increased to 4-30.6%. The flow rate of each gas was almost constant at each temperature. A current of 0.197 A / cm 2 flowed when a voltage of 1 V was applied. However, the applied voltage did not affect the ratio and flow rate of H 2 gas and CO gas. In the gas chromatograph device used, it was difficult to separate O 2 and N 2.
印可電圧1VのときのH2とCOの生成機構として以下の反応が考えられる。
カソード
Co+CO2→CoO+CO (8)
CoO+2e−→Co+O2− (9)
アノード
Co+O2−→CoO+2e− (10)
CoO+CH4→Co+CO+2H2 (11)
全反応
CH4+CO2→2CO+2H2 (12)
The following reactions can be considered as the generation mechanism of H 2 and CO when the applied voltage is 1 V.
Cathode Co + CO 2 → CoO + CO (8)
CoO + 2e - → Co + O 2- (9)
Anode Co + O 2- → CoO + 2e − (10)
CoO + CH 4 → Co + CO + 2H 2 (11)
Total reaction CH 4 + CO 2 → 2CO + 2H 2 (12)
上記の反応過程は、カソードでのCO2とCo触媒との相互作用及びアノードでのCH4とCo触媒との相互作用を示す。しかし、H2−CO混合燃料は0Vでも生成した。この結果は(9)式と(10)式の反応過程が省略されることを示す。すなわち、(8)式と(11)式を組み合わせた(12)式に示すドライリフォーミング反応がカソード又はアノード内のCo触媒上で進行すると考えられる。 The above reaction process shows the interaction between CO 2 and Co catalyst at the cathode and the interaction between CH 4 and Co catalyst at the anode. However, H 2 -CO fuel mixture produced any 0V. This result shows that the reaction processes of Eqs. (9) and (10) are omitted. That is, it is considered that the dry reforming reaction represented by the formula (12), which is a combination of the formulas (8) and (11), proceeds on the Co catalyst in the cathode or the anode.
図4によれば、600〜800℃で印可電圧は出口ガス割合と流量に影響を及ぼさない。この結果は600〜800℃でのCo触媒上でのバイオガスのドライリフォーミングが主に熱力学的に進行したことを示す。 According to FIG. 4, the applied voltage at 600-800 ° C. does not affect the outlet gas ratio and flow rate. This result indicates that the dry reforming of the biogas on the Co catalyst at 600 to 800 ° C. proceeded mainly thermodynamically.
図5はセル1による200〜800℃で8時間のバイオガスのドライリフォーミング後のCo−GDCカソードの微構造(a)と元素分布((b)〜(g))を示す。なお、シリコン元素(Si)の分布はセル1及びセル2と磁製管の隙間を封着したガラスに由来する。図5(b)に示すように少量の炭素の析出が観測された。供給されたCO2は還元してCOガスとO原子((8)式のCoO)を生成する。炭素は供給されたCO2からは生成しない。観測された炭素はCo触媒上に供給されたCH4から生成した(CH4→C+2H2)。炭素の分布は金属CoとGDC電解質の分布と重なっており、金属Co上のCH4の熱分解(CH4→C+2H2)及びCH4とGDCの格子酸素との相互作用による炭素と水蒸気の生成を示唆する。この競争反応が(12)式に示すバイオガスのドライリフォーミングとともに進行する。
FIG. 5 shows the microstructure (a) and elemental distribution ((b) to (g)) of the Co-GDC cathode after dry reforming of biogas at 200 to 800 ° C. for 8 hours in
Co−GDCアノード及びGDC電解質の微構造も観察した。アノード又は電解質内で検出された炭素の含有量はカソードに比べて非常に少なかった。この結果はカソード内の金属Coが供給されたCO2とCH4のいずれとも相互作用することを示す。 The microstructures of the Co-GDC anode and GDC electrolyte were also observed. The carbon content detected in the anode or electrolyte was very low compared to the cathode. This result indicates that the metal Co in the cathode interacts with both CO 2 and CH 4 supplied.
図6はセル2を用いた600℃でのCO2によるバイオガスのドライリフォーミングの出口ガスの割合(a)、出口ガスの流量(b)及びセル2の電流密度(c)を示す。印可電圧は0.5Vであった。H2ガス及びCOガスが連続的に6時間生成した。H2ガス及びCOガスの出口ガスの割合はそれぞれ7.7〜31.5%及び9.3〜17.8%であった。H2ガス/COガスの体積比は改質開始から2時間後に1に近づいた。これは、CH4とCO2の化学量論的な反応が進行したことを示している。
FIG. 6 shows the ratio (a) of the outlet gas for dry reforming of biogas by CO 2 at 600 ° C. using the
全ガス流量は60ml/分で6時間ほぼ一定であったが、H2ガス及びCOガスの流量は改質時間にともない徐々に減少した。6時間以上の改質で起きるガス流量と電流密度の急速な減少はセル1及びセル2内の炭素の析出に関係すると考えられる。
Total gas flow rate was almost constant for 6 hours at 60 ml / min, but the flow rate of H 2 gas and CO gas was gradually decreased with the modification time. The rapid decrease in gas flow rate and current density caused by reforming for 6 hours or more is considered to be related to the precipitation of carbon in
図7はセル2を用いた800℃でのCO2によるバイオガスのドライリフォーミングの出口ガスの割合(a)、出口ガスの流量(b)及びセル2の電流密度(c)を示す。温度を800℃に増加させるとH2ガス及びCOガスの出口ガス割合はそれぞれ37.6〜46.7%と38.4〜42.6%に増加した。H2ガス及びCOガスは28時間安定的に生成した。H2/COの体積比はほぼ1であり、CH4とCO2の化学量論的なドライリフォーミング反応が進行した。図7(b)に示す出口ガスの流量は改質開始の61.4ml/分から28時間後の5.9ml/分まで徐々に低下した。図7(c)に示す電流密度は改質開始の1.74A/cm2から急速に低下し、5時間後に0.10A/cm2になった。その後は0.05〜0.1A/cm2でほぼ一定であった。H2ガス及びCOガスの出口ガスの流量及び電流密度は印可電圧の増加により回復しなかった。
FIG. 7 shows the ratio (a) of the outlet gas for dry reforming of biogas by CO 2 at 800 ° C. using the
図8は800℃で28時間のバイオガスドライリフォーミング後のセル2のNi−GDCカソードの微構造及び元素分布を示す。炭素の析出がカソードの表面及び内部で観測された。この炭素の析出が図7(b)のガス流量の緩やかな減少をもたらした。
FIG. 8 shows the microstructure and elemental distribution of the Ni—GDC cathode of
(実施例3:セル2での空気添加がドライリフォーミングに及ぼす影響の検討)
セル2では空気中のO2を用いたバイオガスの改質も調査した。40ml/分のバイオガスと50ml/分の空気を混合し、セル2に供給した。ガスのモル比はCH4/CO2/O2=3/1.875/1.314である。その他の条件は、上記実施例2と同様である。
(Example 3: Examination of the effect of air addition in
Modification of biogas with O 2 in the
(結果)
図9は、バイオガスに空気を添加した際のバイオガスのドライリフォーミングにおける出口ガスの割合(a)、出口ガスの流量(b)及びセル2の電流密度(c)を示す。反応器の温度は600℃又は800℃であった。出口ガスの割合と流量は8時間にわたり安定していた。CO2によるバイオガスのドライリフォーミングでは、800℃、0.3〜1.0VでH2/COの体積比が1/1の混合燃料が80%を超える出口ガス割合で生成した。バイオガス(40ml/分)と空気(50ml/分)を混合したときの化学組成は3CH4+1.875CO2+1.314O2+5.005N2である。CH4はバイオガスに含まれるCO2及び混合した空気中のO2ガスと反応する。800℃での改質ガスの組成は3.1〜6.3% CH4、2.7〜5.0% CO2、36.8〜41.1% H2、28.8〜31.6% CO、21.6〜23.1% N2−O2であった。
(result)
FIG. 9 shows the ratio (a) of the outlet gas in the dry reforming of the biogas when air is added to the biogas, the flow rate (b) of the outlet gas, and the current density (c) of the
供給したガスの化学組成から考えられる改質反応を(13)〜(15)式に示す。
3CH4+1.875CO2+1.314O2+5.005N2
=4.875CO+6H2+0.7515O2+5.005N2 (13)
=3.372CO+1.503CO2+6H2+5.005N2 (14)
=4.875CO+4.497H2+5.005N2+1.503H2O (15)
The reforming reactions considered from the chemical composition of the supplied gas are shown in equations (13) to (15).
3CH 4 + 1.875CO 2 +1.314O 2 +5.005N 2
= 4.875CO + 6H 2 + 0.7515O 2 + 5.005N 2 (13)
= 3.372CO + 1.503CO 2 + 6H 2 + 5.005N 2 (14)
= 4.875CO + 4.497H 2 +5.005N 2 +1.503H 2 O (15)
空気を添加したバイオガスのドライリフォーミングを800℃で2時間行ったときの出口ガスの割合を上記の計算値と表1で比較する。測定されたCO2の割合、H2/COのモル比、(N2+O2)/COのモル比は(13)式の計算値と最もよく一致した。この分析結果から次の2つのことが言える。(1)バイオガス中のCH4はバイオガスに含まれるCO2と空気由来のO2の両者により改質される。(2)生成したCOとH2は残留するO2により酸化されない。図9の測定結果と表1の出口ガス割合の分析結果は、バイオガスの改質に空気が利用できることを示す。 Table 1 compares the ratio of the outlet gas when the dry reforming of the biogas with air was performed at 800 ° C. for 2 hours with the above calculated value. The measured CO 2 ratio, H 2 / CO molar ratio, and (N 2 + O 2 ) / CO molar ratio were in the best agreement with the calculated values in Eq. (13). From this analysis result, the following two things can be said. (1) CH 4 in biogas is modified by both CO 2 contained in biogas and O 2 derived from air. (2) The produced CO and H 2 are not oxidized by the residual O 2. The measurement results of FIG. 9 and the analysis results of the outlet gas ratio in Table 1 show that air can be used for reforming biogas.
温度を600℃に低下させても混合燃料の出口ガス割合と流量は比較的に高い値を示した。図9(c)に示す通り、この反応器の電流密度は印可電圧に対して良い応答を示した。これは図7(c)の測定結果と異なる。これは図9の反応器内の炭素の析出が抑制されたことを示唆している。供給された空気による析出した炭素の酸化(2C+O2→2CO)が考えられる炭素析出の抑制の要因の一つである。 Even when the temperature was lowered to 600 ° C., the outlet gas ratio and the flow rate of the mixed fuel showed relatively high values. As shown in FIG. 9 (c), the current density of this reactor showed a good response to the applied voltage. This is different from the measurement result shown in FIG. 7 (c). This suggests that carbon precipitation in the reactor of FIG. 9 was suppressed. Oxidation of precipitated carbon by the supplied air (2C + O 2 → 2CO) is one of the possible factors for suppressing carbon precipitation.
(実施例4:セル3の作製及びセル3を用いたバイオガスのドライリフォーミング)
GDC多孔質電解質、Ni(20又は30vol%)−GDC(80又は70vol%)カソード、Ru(20又は30vol%)−GDC(80又は70vol%)アノードを備えるセル3を作製した。図10はセル3の構造を示す。Ni(20vol%)−GDC(80vol%)、Ni(30vol%)−GDC(70vol%)、Ru(20vol%)−GDC(80vol%)及びRu(30vol%)−GDC(70vol%)の厚さはそれぞれ2mmとした。電解質膜の厚さは80μmとした。電極材料の金属量を20から30vol%と傾斜させることで、焼結時の電極−電解質間の剥離を防いだ。電解質粉体、電解質膜及びNiO−GDCカソード粉体の作製は、上記実施例1と同様とした。RuO2−GDCアノード粉体の調製では、RuCl3水溶液とGDC粉体とをRu:GDCの体積比が2:8又は3:7となるように混合した。アンモニア水でpH10に調整し、24時間撹拌した後、凍結乾燥した。得られた粉体を800℃、1時間、空気中で仮焼し、RuO2−GDC粉体を得た。電解質膜、カソード粉体、アノード粉体を図10の順に直径10mmの錠剤成形器中で積層し、100MPaで一軸加圧した。その後、積層体を298MPaで等方加圧した後、共焼結を1200℃、空気中で2時間行った。
(Example 4: Preparation of
白金メッシュ集電体をカソードとアノードの各表面に実施例1と同様に接着し、セル3を磁製管内に設置した。セル3と磁製管との隙間を、ガラスリングを870℃、空気中で加熱することにより封着した。電極内のNiOとRuO2はH2雰囲気中、800℃、12時間で金属Niと金属Ruに還元された。H2ガスをアルゴンガスで追い出した後、バイオガスのドライリフォーミングを700又は800℃で行った。バイオガスとして使用したバイオガスAの化学組成は実施例2で使用したバイオガスと同じで、バイオガスBの化学組成は55.6vol% CH4、37.7vol% CO2、5.7vol% N2、0.7vol% O2、1.1ppm H2Sであった。バイオガスA又はBを40ml/分でセル3に供給した。
A platinum mesh current collector was adhered to each surface of the cathode and the anode in the same manner as in Example 1, and the
CH4に富むバイオガスに対して不足する酸化剤としてCO2又は空気を供給した。CO2添加では、ドライリフォーミングの化学量論比CH4/CO2=1/1(CH4+CO2→2H2+2CO)となるように、CO2を10ml/分で供給した。空気添加は0〜50ml/分の供給速度で行った。表2にバイオガスのドライリフォーミング反応と空気添加量との関係を示す。空気添加量が10ml/分以下で酸化剤不足となり、20ml/分以上で酸化剤過剰となる。電圧は0.5Vを直流又は0.1〜100Hzの長方形パルスで印可した。パルス時間は電圧印可と無印可の時間の比が1:1となるように制御した。出口ガス組成及び出口ガスの流量を実施例2と同様に測定した。セル3の電流密度を高速データアクイジションユニット(SL−1000、横河メータ&インスツルメント社製)で測定した。
CO 2 or air was supplied as a deficient oxidant for CH 4 rich biogas. In the addition of CO 2 , CO 2 was supplied at 10 ml / min so that the stoichiometric ratio of dry reforming was CH 4 / CO 2 = 1/1 (CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO). Air addition was performed at a supply rate of 0 to 50 ml / min. Table 2 shows the relationship between the dry reforming reaction of biogas and the amount of air added. When the amount of air added is 10 ml / min or less, the oxidant becomes insufficient, and when 20 ml / min or more, the oxidant becomes excessive. The voltage was applied at 0.5 V with a direct current or a rectangular pulse of 0.1 to 100 Hz. The pulse time was controlled so that the ratio of the voltage applied time to the unapplied time was 1: 1. The outlet gas composition and the outlet gas flow rate were measured in the same manner as in Example 2. The current density of
(結果)
図11はCO2を添加したバイオガスAのドライリフォーミングにおける800℃での出口ガスの割合(a)、出口ガスの流量(b)及びセル3の電流密度(c)を示す。改質開始直後では29.6% H2ガス−32.9% COガスの混合燃料が生成した。出口ガス中のH2ガス及びCOガスの割合は時間とともに低下し、12時間後に8.9% H2ガス−17.4% COガスになった。パルス周波数の増加はこの性能低下を促進した。特に10Hz以上では出口ガス流量の低下が顕著であった。100Hzで電流の急激な低下が起きた。改質速度の低下後に再び直流電圧を印可したが、改質速度は回復しなかった。実験後、カソードに大量の炭素の析出が認められた。これが生成ガス流量の低下を招いた。
(result)
FIG. 11 shows the ratio of the outlet gas at 800 ° C. (a), the flow rate of the outlet gas (b), and the current density (c) of the
図12は空気を添加したバイオガスBのドライリフォーミングにおける700又は800℃での出口ガスの割合(a)、出口ガスの流量(b)及びセル3の電流密度(c)を示す。空気を50ml/分で供給したとき、H2ガスとCOガスの安定した生成が起こり、24時間にわたり改質速度の低下は認められなかった。出口ガスにおけるH2の割合は800℃で36.9〜40.9%であり、700℃で34.5〜36.0%であった。出口ガスにおけるCOの割合は800℃で16.7〜20.5%であり、700℃で17.0〜18.8%であった。H2に富む混合燃料の生成は表2の反応(3CH4+2.034CO2+1.416O2→6H2+5.034CO+0.933O2)と対応している。また、未反応のO2は改質時に生成する炭素の除去に利用される(2C+O2→2CO)。一方、800℃でO2を供給しない場合、H2とCOの生成速度も低下した。このことも表2の反応式とよく対応している。800℃での電流密度は測定装置の限界値に達していた。電流密度は温度が700℃に低下すると約3桁低下した。一方で、H2生成速度の低下はほとんど起きておらず、小さな電流密度で改質は促進される。改質後の反応器の電子線マイクロアナライザーを用いた分析では、炭素の析出がほとんど起きていないことが示された。
FIG. 12 shows the ratio of the outlet gas at 700 or 800 ° C. (a), the flow rate of the outlet gas (b), and the current density (c) of the
以上の結果は、700℃でNi及びRuの一部が添加した空気により酸化され、導電性の低いNiOが生成することを示唆している。RuO2は酸化物であるが、電子導電性はRu並みに高い。また、生成するO2−イオンの拡散速度も700℃では小さくなる。800℃では、供給した電子によりNiOがNiにすみやかに還元され(NiO+2e−→Ni+O2−)、生成するO2−イオンの拡散速度も大きい。そのため、電流密度は高い値を示したと考えられる。 The above results suggest that NiO with low conductivity is produced by being oxidized by the air to which a part of Ni and Ru is added at 700 ° C. RuO 2 is an oxide, but its electron conductivity is as high as Ru. In addition, the diffusion rate of the generated O 2- ion also decreases at 700 ° C. At 800 ° C., NiO is quickly reduced to Ni by the supplied electrons (NiO + 2e − → Ni + O 2- ), and the diffusion rate of the generated O 2- ions is also high. Therefore, it is considered that the current density showed a high value.
本実施例では、CO2を添加したとき、800℃で改質速度が徐々に低下した。改質速度の低下はパルス周波数の増加により促進された。これは、ガス改質時に並行して炭素が析出するためである。空気添加はこの改質速度の低下を抑制し、混合燃料の安定した生成が700又は800℃で24時間にわたり認められた。これは生成した炭素が供給されたO2でCOガスへ変換されるためである。 In this example, when CO 2 was added, the reforming rate gradually decreased at 800 ° C. The decrease in the reform rate was promoted by the increase in the pulse frequency. This is because carbon is precipitated in parallel during gas reforming. The addition of air suppressed this decrease in the reforming rate, and stable production of the mixed fuel was observed at 700 or 800 ° C. for 24 hours. This is because it is converted in O 2 where the produced carbon was supplied to the CO gas.
(実施例5:多孔質GDC電解質を有する電気化学反応器の改質効率の比較)
CO2又はO2を利用したバイオガスのドライリフォーミングでは、CH4からH2−CO混合燃料への高い変換率及び長期運転のための高い耐久性が電気化学反応器に求められる。電極内の金属触媒とCH4との相互作用によってCH4が分解し、固体炭素を生成させる。これが反応器の耐久性に大きく影響する。CH4の分解に対する弱い触媒活性が、特にカソードにおいて重要である。一方で、改質反応は800℃ではカソードの金属触媒上で熱力学的に進行し、600℃では両電極の金属触媒上で電気化学的に進行する。低温での改質効率はカソードでのCO2と金属触媒との相互作用及びアノードでのCH4と金属触媒との相互作用に依存する。
(Example 5: Comparison of modification efficiency of an electrochemical reactor having a porous GDC electrolyte)
In dry reforming of biogas using CO 2 or O 2 , a high conversion rate from CH 4 to H 2- CO mixed fuel and high durability for long-term operation are required for the electrochemical reactor. The interaction between the metal catalyst in the electrode and CH 4 decomposes CH 4 to produce solid carbon. This greatly affects the durability of the reactor. Weak catalytic activity for the degradation of CH 4 is important, especially at the cathode. On the other hand, the reforming reaction proceeds thermodynamically on the metal catalyst of the cathode at 800 ° C. and electrochemically on the metal catalyst of both electrodes at 600 ° C. The modification efficiency at low temperature depends on the interaction between CO 2 at the cathode and the metal catalyst and the interaction between CH 4 at the anode and the metal catalyst.
上記のセル1と同様にGDC電解質を備え、カソードがNi(30vol%)−GDC(70vol%)で、アノードがNi(30vol%)−GDC(70vol%)であるセル(比較例1)、カソードがRu(30vol%)−GDC(70vol%)で、アノードがRu(30vol%)−GDC(70vol%)であるセル(比較例2)、及びカソードがNi(30vol%)−GDC(70vol%)で、アノードがRu(30vol%)−GDC(70vol%)であるセル(比較例3)を、上記実施例1と同様に作製した。RuO2−GDC粉体の調製については実施例4を参照されたい。セル1及びセル2に加え、比較例1〜3において50%CH4−50%CO2混合ガスのドライリフォーミングを各温度で行った。
A cell (Comparative Example 1) having a GDC electrolyte as in
表3は、50%CH4−50%CO2混合ガスのドライリフォーミングのH2の生成速度(f(H2))とCOの生成速度(f(CO))のセル間の比較を示す。炭素の析出による反応器の劣化の影響の小さい改質開始から2時間の範囲で生成速度の比較を行った。出口ガスの流量はCH4−CO2混合ガスの供給速度、電極の細孔径分布、反応器の改質効率に依存する。改質効率を評価するために、H2とCOの生成速度を50ml/分の出口ガスの流量で規格化した。 Table 3 shows a comparison between the cells of the production rate of 50% CH 4 -50% CO 2 dry reforming of the mixed gas H 2 (f (H 2) ) and CO production rate (f (CO)) .. The production rates were compared within 2 hours from the start of reforming, which is less affected by the deterioration of the reactor due to carbon precipitation. The flow rate of the outlet gas depends on the supply rate of the CH 4- CO 2 mixed gas, the pore size distribution of the electrodes, and the reforming efficiency of the reactor. In order to evaluate the reforming efficiency, the H 2 and CO production rates were standardized at the outlet gas flow rate of 50 ml / min.
アノードのNi(比較例1)は1Vの印可電圧下でドライリフォーミングよりもむしろCH4熱分解を促進した。600℃でのH2の生成速度は、比較例3<セル1<比較例2<セル2の順に大きくなった。800℃でのH2の生成速度は、セル1<比較例2<比較例3≒セル2の順に大きくなった。600℃に比べて800℃では生成速度の反応器間の差は小さくなった。結果として、カソードにNi触媒、アノードにCo触媒を有するセル2が最も高い改質効率を示した。
The anode of Ni (Comparative Example 1) promoted rather CH 4 pyrolysis than dry reforming in applied voltage under 1V. The rate of formation of H 2 at 600 ° C. increased in the order of Comparative Example 3 <
なお、比較例1及び比較例2の詳細については、Shotaro MATAYOSHI、外4名、「Electrochemical reforming of CH4−CO2 gas using porous Gd−doped ceria electrolyte with Ni and Ru electrodes」、Journal of the Ceramic Society of Japan、2009年、117、1147−1152を参照されたい。比較例3の詳細については、上記非特許文献1を参照されたい。
For details of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, Shotaro MATAYOSHI, 4 outsiders, "Electrochemical reforming of CH 4- CO 2 gas-using porous Gd-topped ceramic Electrolyte with Electrolyte with Ni". See of Japan, 2009, 117, 1147-1152. For details of Comparative Example 3, refer to the above-mentioned
以上、実施例2〜5で得られた知見により、少なくとも次のことが言える。(1)空気中のO2ガスを用いたバイオガスのドライリフォーミングでは析出した炭素が供給空気によって酸化されるため、電気化学反応器の高い耐久性が維持される。(2)カソードに金属Niを有するセル2は高いH2生成速度を示した。アノードの金属Coの触媒活性は金属Ruよりも600〜800℃で大きい。
As mentioned above, based on the findings obtained in Examples 2 to 5, at least the following can be said. (1) In the dry reforming of biogas using O 2 gas in the air, the precipitated carbon is oxidized by the supplied air, so that the high durability of the electrochemical reactor is maintained. (2)
上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。 The above-described embodiments are for explaining the present invention and do not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is indicated not by the embodiment but by the claims. Then, various modifications made within the scope of the claims and the equivalent meaning of the invention are considered to be within the scope of the present invention.
本発明は、燃料ガス、特にH2−CO混合燃料の製造に好適である。 The present invention, fuel gas is particularly suitable for the production of H 2 -CO mixed fuel.
1 電解質膜
2 カソード
3 アノード
4 管
5 印加部
6 保持部
7 供給部
8 温度制御部
100 電気化学反応器
200 燃料ガスの製造システム
1
Claims (7)
ルテニウム又はコバルトである第2の金属を含有するアノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に介在し、酸化物イオンを透過させる金属酸化物を含有する多孔質の電解質膜と、
を備え、
前記カソードに向けて、酸素を含む酸化剤ガス及びバイオガスが供給される、
電気化学反応器。 A cathode containing a first metal selected from the group consisting of nickel, ruthenium and cobalt,
An anode containing a second metal, ruthenium or cobalt,
A porous electrolyte membrane that is interposed between the cathode and the anode and contains a metal oxide that allows oxide ions to permeate.
With
Oxidizing agent gas and biogas containing oxygen are supplied toward the cathode.
Electrochemical reactor.
ニッケルであって、
前記第2の金属は、
コバルトである、
請求項1に記載の電気化学反応器。 The first metal is
Nickel
The second metal is
Cobalt,
The electrochemical reactor according to claim 1.
空気であって、
前記バイオガスに含まれるメタンのモル数と、前記バイオガス及び前記空気それぞれに含まれる酸素のモル数及び二酸化炭素のモル数の合計との比が、
1:0.9〜1.1である、
請求項1又は2に記載の電気化学反応器。 The oxidant gas is
It ’s air,
The ratio of the number of moles of methane contained in the biogas to the total number of moles of oxygen and carbon dioxide contained in the biogas and the air, respectively, is
1: 0.9 to 1.1,
The electrochemical reactor according to claim 1 or 2.
前記カソードに向けて、前記酸化剤ガス及び前記バイオガスを供給する供給部と、
を備える、燃料ガスの製造システム。 The electrochemical reactor according to any one of claims 1 to 3 and
A supply unit that supplies the oxidant gas and the biogas toward the cathode, and
A fuel gas manufacturing system.
請求項4に記載の燃料ガスの製造システム。 An application unit for applying a pulse voltage between the cathode and the anode is further provided.
The fuel gas manufacturing system according to claim 4.
前記供給部は、
前記保持部に保持された前記酸化剤ガス及び前記バイオガスを前記カソードに向けて供給する、
請求項4又は5に記載の燃料ガスの製造システム。 Further provided with a holding portion for holding the oxidant gas and the biogas,
The supply unit
The oxidizing agent gas and the biogas held in the holding portion are supplied toward the cathode.
The fuel gas production system according to claim 4 or 5.
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する印加ステップと、
前記カソードに向けて、酸素を含む酸化剤ガス及びバイオガスを供給する供給ステップと、
を含む、燃料ガスの製造方法。 An intervening cathode containing a first metal selected from the group consisting of nickel, ruthenium and cobalt, an anode containing a second metal such as ruthenium or cobalt, and oxidation between the cathode and the anode. A method for producing a fuel gas using an electrochemical reactor including a porous electrolyte membrane containing a metal oxide that allows material ions to permeate.
An application step of applying a voltage between the cathode and the anode,
A supply step of supplying oxygen-containing oxidant gas and biogas toward the cathode, and
A method for producing fuel gas, including.
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